專利名稱：低功率消耗型薄膜氣體傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低功率消耗型薄膜氣體傳感器及其制造方法，特別涉及到一種薄膜氣體傳感器及其制造方法，這種傳感器在將其加熱器加熱至一個特定溫度以便增強其傳感膜對一種特定氣體的檢測性能時能盡可能降低用于將其加熱器加熱至高溫的功率消耗，該方法是利用一種熱損失低的材料和結(jié)構(gòu)來形成一個熱生成部件的支承膜。
氣體傳感器是用于檢測某種特定氣體存在的傳感器，根據(jù)傳感器上的傳感膜來檢測氣體，有用于檢測CO(一氧化碳)的傳感器，有用于檢測冰箱中的魚類變壞時產(chǎn)生的(CH3)3N(三甲胺)氣體的傳感器，有用于檢測蔬菜變壞時產(chǎn)生的CH3SH(甲硫醇)氣體的傳感器，以及有用于檢測C2H5OH(乙醇)的傳感器等等。通常，我們應當考慮作為氣體傳感器應當具備的基本要求是除了靈敏度高、選擇性好和響應速度快之外，還應結(jié)構(gòu)緊湊、功率消耗低。
這種氣體傳感器的元件中裝備有一個加熱器，為的是增強傳感膜對某種特定氣體能有效地進行檢測，加熱器應當被加熱到一個特定溫度(通常為200℃至500℃)。此時，功率消耗應當盡可能降低。
為了使功率消耗降低，作為產(chǎn)生熱量的加熱器本身的材料應當是效率高的，并且應當減少加熱器產(chǎn)生熱量時的外部損失。
當加熱器被加熱到特定溫度差△T時，通常，外部熱損失量P表示如下P＝Pm+PR+PA式中，Pm為通過傳感器支承膜的熱損失，PR為輻射引起的熱損失，PA為通過周圍空氣的熱損失。
其中，因為PR相對來說是極小的值，而PA是由加熱部件的幾何幾寸產(chǎn)生的一個小值，所以只有通過減小Pm值為降低熱損失P。
傳感器的支承膜的熱損失Pm可以表示如下Pm＝ (K·б·h·△T)/(ln(u/a))式中，K為常數(shù)，б為支承膜的熱導率，h為支承膜的厚度，u為支承膜的寬度，a為熱生成部件的長度。
正如從方程式可以看出的，為了減少通過支承膜的熱損失，或者是支承膜應當采用低熱導率材料并減少厚度，或者應當調(diào)節(jié)支承膜寬度與加熱部件長度的比例。
一種考慮到上述條件而制造的慣用薄膜氣體傳感器，可以在硅片的一側(cè)上形成支承膜、加熱器和傳感膜之后，通過在硅片另一側(cè)上進行各向異性的腐蝕形成一個窗口來減少加熱器的熱損失。
薄膜氣體傳感器的支承膜對傳感器的效率、可靠性等特性產(chǎn)生非常重要的影響，這取決于支承膜的結(jié)構(gòu)，以及熱性能、電氣性能和機械性能。
在硅片上形成支承膜是將支承膜形成在硅片的一側(cè)上，用一種腐蝕性溶液從硅片的背面對硅片進行腐蝕，直到留下合適的硅片厚度時，就停止腐蝕。
在大多數(shù)情況下，是由摻雜P+型硅層、氧化硅(SiO2)膜或氮化硅(Si3N4)膜暴露后停止腐蝕。
因此，為了形成一個預定厚度的支承膜，雖然需要對已形成有支承膜的硅片進行各向異性腐蝕以得到一個精確厚度，但很難控制支承膜精確厚度的形成，原因是在各向異性的腐蝕溶液(KOH水溶液)中摻雜硼的硅層(下面稱作“P+-Si”)或者氧化硅膜中存在有小量的腐蝕。
但是，因為氮化硅(Si3N4)膜完全不受到腐蝕溶液的腐蝕，所以如果支承膜的底基層是由氮化硅(Si3N4)膜形成的，那么支承膜就可以獲得精確的厚度。


圖1是一種慣用薄膜氣體傳感器的截面圖。
參照圖1，薄膜氣體傳感器包括一個支承膜2，該支承膜2分別具有以厚度2.5μm、0.2μm和2.5μm的氧化硅膜2a、氮化硅膜2b和氧化硅膜2c疊層淀積在硅襯底1上，支承膜2上淀積了鎳鐵NiFe合金，該合金被制成圖案，以形成加熱器3和溫度傳感器4。
在這種情況下，加熱器3的有效面積a被制成為450×450μm2。
在如上所述的支承膜2上形成加熱器3和溫度傳感器4之后，在支承膜上面用SiONx形成鈍化層5。
在鈍化層5上形成分別具有傳感電極6和傳感膜7的各氣體傳感元件8之后，將硅襯底1的背面在KOH水溶液中進行各向異性腐蝕。
這樣就完成了一種具有支承膜2的慣用薄膜氣體傳感器10的制造過程，支承膜2由淀積的SiO2、Si3N4和SiO2的疊層結(jié)構(gòu)形成。
圖2示出慣用薄膜氣體傳感器的加熱器特性曲線。
可以知道，一個慣用薄膜氣體傳感器在加熱器的熱生成部件加熱至300℃時消耗70mW功率，熱生成部件單位功率約為340mW/mm2，而溫度傳感器的電阻在300℃時約為700Ω。
按照上述工藝利用P+-Si、SiO2或Si3N4的單層膜或SiO2/Si3N4/SiO2多層膜作為支承膜制成的薄膜氣體傳感器存在的問題是難于形成具有精確的預定厚度的支承膜，其原因是在進行各向異性腐蝕時，在KOH水溶液中存在P+-Si或者SiO2或者SiO2/Si3N4/SiO2的小量腐蝕，該傳感器在減少加熱器的功率消耗方面還存在一個限度，原因是P+-Si和Si3N4具有相當高的熱導性而導至有更大的熱損失。
本發(fā)明的目的是為了解決上述存在的問題而提供一種低功耗型薄膜氣體傳感器，為增強該氣體傳感器對特殊氣體檢測的性能，利用熱損耗小的玻璃形成氣體傳感器熱生成部件的支承膜，使應加熱到的特定溫度的加熱器加熱至高溫時，能夠?qū)⒐臏p至最小。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種制造低功率消耗型薄膜氣體傳感器的方法，這種傳感器能將其加熱器的功率消耗減至最小，并能夠通過利用低熱導性的玻璃膜和氮化硅膜作為支承膜來精確地控制支承膜的厚度。
本發(fā)明的上述目的和特點可以通過提供一種低功率消耗型薄膜氣體傳感器來實現(xiàn)，這種傳感器包括有在其一側(cè)的中部有一窗口的一個硅襯底、在所說的硅襯底一側(cè)上除了窗口以外還有形成的掩膜材料，在硅襯底另一側(cè)上有由一個腐蝕停止層和一個玻璃膜形成的支承膜，在支承膜上面對窗口并列配置的加熱器和溫度傳感器，在支承膜上形成的能覆蓋住加熱器和溫度傳感器的層間絕緣膜，在層間絕緣膜上形成的傳感膜電極，以及一個在層間絕緣膜上形成對特定氣體檢測的傳感膜，該傳感膜覆蓋傳感膜電極。
為制造低功率消耗型薄膜氣體傳感器的方法包括的工藝過程是在硅襯底的一側(cè)上淀積氮化硅膜;通過在硅襯底的另一側(cè)上陸續(xù)地淀積氮化硅膜和玻璃膜來形成一個支承膜，在支承膜上形成平行配置的加熱器和溫度傳感器，在支承膜、加熱器和溫度傳感器上形成一個層間絕緣膜，傳感膜電極在層間絕緣膜上形成，在層間絕緣膜上形成的傳感膜覆蓋傳感膜電極。在傳感膜形成后，通過相應于硅襯底一側(cè)形成的氮化硅上的溫度傳感器和加熱器部分，進行腐蝕，形成腐蝕窗口，暴露硅襯底，然后利用掩膜材料作掩膜對暴露的硅襯底進行各向異性的腐蝕形成一窗口。
圖1是一種慣用的薄膜氣體傳感器的截面圖;
圖2是圖1中所示的薄膜氣體傳感器的一個加熱器的功率消耗特性曲線;
圖3a至圖3e表示本發(fā)明的薄膜氣體傳感器的制造過程;
圖4是根據(jù)圖3a至3e過程制造的薄膜氣體傳感器的截面圖;
圖5是本發(fā)明的薄膜氣體傳感器的加熱器，為加熱傳感器膜所需功率消耗以及傳感器電阻與溫度的關(guān)系的兩組圖形;
圖6是本發(fā)明的薄膜氣體傳感器隨溫度變化使檢測CH3SH氣體靈敏度變化的示意圖;
圖7表示本發(fā)明的傳感器對CH3SH氣體的響應特性曲線;
圖8是本發(fā)明的傳感器對各種氣體的選擇性的曲線圖;
圖3a至3e表示本發(fā)明的薄膜氣體傳感器的制造過程。
本發(fā)明的薄膜氣體傳感器的制造過程如下首先，如圖3a所示，氮化硅(SiN4)膜(20a、20d)是用低壓化學氣相淀積(LPCVD)法淀積在硅襯底60的兩側(cè)，每側(cè)的厚度為500埃至2500埃。其中，淀積在硅襯底60背面的氮化硅膜20d用作在后續(xù)工藝中進行硅襯底60的各向異性腐蝕時的掩膜，而硅襯底前面的氮化硅膜20a用作腐蝕停止層。
然后，玻璃膜20b是用大氣壓化學氣相淀積(APCVD)法淀積在硅襯底60上已淀積的氮化硅膜20a上(其淀積厚度為500埃至3μm)，以形成如圖3b的支承膜20，其具有一個氮化硅膜20a及玻璃膜20b，其中，可由PSG(磷硅酸鹽玻璃)、BSG(硼硅酸鹽玻璃)或BPSG(硼磷硅酸鹽玻璃)中的任一種的玻璃膜20b用作低熱導率的支承膜。
其次，如圖3c所示，在上述工藝中形成的支承膜20上并行地形成各加熱器30b和各溫度傳感器30a，使得氣體傳感器的每個熱生成部件的面積為0.588×0.588mm2。
加熱器30b和溫度傳感器30a采用Pt/Ta之類金屬淀積到大約5000埃至3μm的厚度。在這種情況下，熱生成部件的長度以小于支承膜寬度的1/2被制成。
在形成加熱器30b和溫度傳感器30a時，熱生成部件使用的鉭(Ta)被淀積在鉑(Pt)層下面，用以增強鉑層和玻璃膜之間的附著力，最好選擇淀積的厚度為200埃至700埃。而用作高溫材料的鉑由于其具有熱生成特性曲線和以溫度變化而變化的極好的電阻規(guī)律，可以被用作加熱器以及溫度傳感器。
在以上述過程形成了加熱器和溫度傳感器之后，通過用濺射法淀積一層氮化硅膜來形成層間絕緣膜40。
本發(fā)明中，采用具有極好的絕緣性能和高的熱導率的氮化硅膜作為層間絕緣膜40，以便將加熱器30b中產(chǎn)生的熱量容易地傳送給將在下述工藝過程中形成的傳感膜。
傳感膜電極50a是通過淀積例如Pt/Ta之類金屬選擇約4000埃至6000埃的厚度并將其制成圖案而形成的，并且形成一層傳感膜50以蓋住傳感膜電極50a。
通過上述過程，制成圖3d所示的具有傳感膜電極50a和傳感膜50的傳感元件。
此處，傳感膜50為摻雜1%(重量)鈀(Pd)的SnO2，最好制成的厚度為1000埃至5000埃。
在完成了硅襯底60前表面的上述過程后，用反應離子腐蝕(RIE)法來腐蝕在硅襯底60背面形成的氮化硅膜20d，以形成腐蝕窗口。
然后利用硅襯底背面的氮化硅膜20d作為掩膜對暴露的硅襯底60進行在KOH溶液中的各向異性腐蝕，在這一過程中腐蝕在氮化硅膜20a處停止，從而獲得如圖3e所示的薄膜氣體傳感器。
圖4是通過圖3a至3e的過程制造的本發(fā)明的低功率消耗型薄膜氣體傳感器的截面。
如圖4所示，本發(fā)明的一種低功率消耗型薄膜氣體傳感器70包括在硅襯底60一側(cè)上形成的具有氮化硅膜20a和玻璃膜20b的起到腐蝕停止層作用的一個支承膜20，在支承膜20上形成了平行配置的加熱器30b和溫度傳感器30a，在支承膜20上形成的層間絕緣膜40是為了覆蓋住加熱器30b和溫度傳感器30a，在層間絕緣膜40上形成的具有傳感膜電極50a和傳感膜50的傳感元件，在硅襯底60另一側(cè)上形成一個窗口，以及在其上形成沒有窗口的氮化硅膜20d。
本發(fā)明的氣體傳感器可以精確地控制地支承膜的厚度，因為具有氮化硅膜20a和玻璃膜20b的支承膜20，由于在后續(xù)工藝過程中進行硅襯底60的各向異性腐蝕時氮化硅膜20a起到腐蝕停止層作用而不可能受到腐蝕，該傳感器并且可以對一種特定氣體進行很好的檢測，因為在傳感器膜50加熱至高溫時，由于低熱導性的玻璃膜20b可防止通過支承膜20的熱損失，從而使傳感膜50加熱到一個特定溫度。
此外，支承膜20的厚度可以減小，因為慣用的支承膜2使用三層膜，即氧化硅膜2a、氮化硅膜2b和氧化硅膜2c，而本發(fā)明的支承膜20使用兩層膜，即氮化硅膜20a和玻璃膜20b。
至于加熱器30b和溫度傳感器30a，使用了多金屬層。高溫材料鉑具有極好的熱生成特性并顯示以溫度為基礎極好的電阻規(guī)律，而鉭被用于增強鉑和玻璃膜之間的附著力。
加熱器30b被用于將傳感膜50加熱至特定的溫度，以增強傳感器的傳感膜50對不對一種特定氣體能有效地檢測，而溫度傳感器30a被用來對加熱器30b的溫度進行檢測。
至于層間絕緣膜40，采用了氮化硅膜，該膜有助于使傳感膜50被加熱到一個特定溫度時，對一種特定氣體能進行良好檢測，因為優(yōu)越的絕緣性能和高熱導性的氮化硅膜使加熱器30b中產(chǎn)生的熱能夠良好地傳送到傳感膜上。
至于傳感膜電極50a，采用了多層金屬膜如Pt/Ta，至于傳感膜50，采用了摻雜1%(重量)鈀的SnO2。
傳感膜電極50a被用于在用加熱器30b將傳感膜50加熱至高溫時，可測定以加熱溫度為基礎的傳感膜50的電阻值，而傳感膜50被用于對一種特定氣體進行檢測。
在硅襯底60背面形成的氮化硅膜20d在對硅襯底60進行各向異性腐蝕時，起到掩膜材料的作用。
通過上述過程制造的薄膜氣體傳感器經(jīng)過測試獲得的特性曲線示于圖5至圖8。
圖5是表示加熱傳感膜所需的加熱器的功率消耗和傳感器電阻與加熱溫度的關(guān)系的兩種圖形。
參照圖5可以知道，本發(fā)明的面積為0.588×0.588mm2的熱生成部件加熱器，在將傳感膜50加熱至300℃時的功率消耗為70mW、單位功率為202mW/mm2，比常規(guī)傳感器熱生成部件的功率消耗340mW/mm2要低得多。
總之，通過控制支承膜20的熱導率(б)、厚度(h)、以及其寬度u與熱生成部件長度a之比(u/a)，有可能減小加熱器的功率消耗。
另一方面，當利用在傳感元件中形成的加熱器30b來變化傳感膜50的溫度時，通過測量以CH3SH氣體的密度為基礎的靈敏度，可以得到圖6中圖線所表示的特性曲線。
參照圖6，傳感膜50對氣體的靈敏度可以表示成Ra/Rg，其中Ra為傳感膜在空氣中的電阻，Rg為傳感膜暴露于一種氣體時的電阻，可以知道，本發(fā)明的傳感器在加熱到高于250℃的溫度時，可以對CH3SH氣體顯示出足夠的靈敏度。
圖7表示傳感器對CH3SH氣體的響應特性曲線，從其中可以知道，當傳感器的250℃暴露于密度為0.2ppm的CH3SH氣體時，響應速度為大約為5秒鐘，回收(recovery)特性曲線極好。
圖8表示本發(fā)明的薄膜氣體傳感器的傳感膜50對各種氣體的靈敏度檢驗的測試結(jié)果。
參照圖8，可以看出，對CO、(CH3)3N和C2H5OH的靈敏度比對CH3SH的靈敏度要低。由此可以知道，根據(jù)本發(fā)明的傳感器對CH3SH氣體具有極好的選擇性。
如上面所說明的，由于利用熱導性低于目前所使用的材料的玻璃來形成支承膜并利用氮化硅膜形成腐蝕停止膜，本發(fā)明的薄膜氣體傳感器具有減小加熱器功率消耗的優(yōu)點，并能夠精確地形成薄的支承膜。
雖然本發(fā)明已結(jié)合一些具體實施例進行了說明，但顯然對于本技術(shù)領(lǐng)域?qū)I(yè)人員來說，根據(jù)上述說明可以明白地作出許多替換和變化。因此，本發(fā)明的保護范圍應以權(quán)利要求書的范圍及對其所有替換和變化為準。
權(quán)利要求
1.一種低功率消耗型薄膜氣體傳感器，包括一硅襯底，在其一側(cè)的中央部分有一個窗口；掩膜材料，在硅襯底的一側(cè)除了窗口以外的部分形成；一個支承膜，由在襯底的另一側(cè)上的一個腐蝕停止層和一個玻璃膜所形成；加熱器和溫度傳感器，平行配置在面對窗口的支承膜上，所述加熱器和溫度傳感器具有一個固定長度的熱生成部件；一個層間絕緣膜，形成于支承膜上以覆蓋住加熱器和溫度傳感器，傳感膜電極形成于層間絕緣膜上；傳感膜，形成于層間絕緣膜上，以便覆蓋住傳感膜電極，對一種特定氣體進行檢測。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，采用氮化硅膜作為掩膜材料。
3.如權(quán)利要求2所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，該氮化硅膜的厚度為500埃至2500埃。
4.如權(quán)利要求1所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，利用氮化硅膜作為支承膜的腐蝕停止層。
5.如權(quán)利要求4所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，該氮化硅膜的厚度為500埃至2500埃。
6.如權(quán)利要求1所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，采用PSG(硼磷硅酸鹽玻璃)、BSG(硼硅酸鹽玻璃)或BPSG(硼磷硅酸鹽玻璃)膜中的任一種膜作為玻璃膜。
7.如權(quán)利要求6所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，該玻璃膜的厚度為5000埃至3μm。
8.如權(quán)利要求1所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，加熱器和溫度傳感器都是由多金屬層形成。
9.如權(quán)利要求8所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，加熱器和溫度傳感器都由Pt/Ta多金屬層形成。
10.如權(quán)利要求9所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，加熱器和溫度傳感器的厚度為5000埃至3μm。
11.如權(quán)利要求9所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，該鉑膜用來增強鉑膜和支承膜的玻璃膜之間的附著力。
12.如權(quán)利要求11所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，該鉭膜的厚度為200～700埃。
13.如權(quán)利要求1所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，加熱器熱生成部件和溫度傳感器的長度小于支承膜寬度的1/2。
14.如權(quán)利要求1所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，采用氮化硅膜作為層間絕緣膜。
15.如權(quán)利要求1所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，采用Pt/Ta多金屬層作為傳感膜電極。
16.如權(quán)利要求1所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，SnO2的傳感膜摻雜1%(重量)的鈀。
17.如權(quán)利要求16所述的薄膜氣體傳感器，其特征在于，該傳感膜的厚度為1000埃至5000埃。
18.一種制造低功率消耗型薄膜氣體傳感器的方法，包括以下步驟在硅襯底的一側(cè)上形成掩膜材料，通過在襯底的另一側(cè)上陸續(xù)地淀積氮化硅膜和玻璃膜來形成一個支承膜;在支承膜上形成平行配置的加熱器和溫度傳感器;在支承膜上形成一個層間絕緣膜以覆蓋住加熱器和溫度傳感器;在層間絕緣膜上形成傳感膜電極;通過對相應于硅襯底一側(cè)上形成的溫度傳感器和加熱器部分的掩膜材料進行腐蝕來對硅襯底進行暴露;利用掩膜材料作為掩膜通過對已暴露的硅襯底進行腐蝕來形成一個窗口。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，采用氮化硅膜作為掩膜材料。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，該氮化硅膜的厚度為500埃至2500埃。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，在腐蝕硅襯底時利用支承膜的氮化硅膜作為腐蝕停止層。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，該氮化硅膜的厚度為500埃至2500埃。
23.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，采用PSG(磷硅酸鹽玻璃)、BSG(硼硅酸鹽玻璃)或BPSG(硼磷硅酸鹽玻璃)膜中的任一種膜作為玻璃膜。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，該玻璃膜的厚度為5000埃至3μm。
25.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，加熱器和溫度傳感器由Pt/Ta多金屬層形成。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，該鉭膜被用于增強鉑膜和支承膜的玻璃膜之間的附著力。
27.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，對該掩膜材料采用反應離子腐蝕法的各向異性腐蝕。
28.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，該已暴露的硅襯底在KOH溶液中腐蝕。
全文摘要
一種低功率消耗型薄膜氣體傳感器及其制造方法。該氣體傳感器包括一個在其一側(cè)的中部有一窗口的硅襯底、在硅襯底一側(cè)上形成了除了窗口以外的掩模材料、在襯底另一側(cè)上由一個腐蝕停止層和一個玻璃膜形成的支承膜、在支承膜上面對窗口并列配置的加熱器和溫度傳感器、在支承膜上形成的層間絕緣膜以覆蓋加熱器和溫度傳感器、在層間絕緣膜上形成的傳感膜電極，以及一個在層間絕緣膜上形成的傳感膜以覆蓋對一種特定氣體進行檢測的傳感電極。
文檔編號G01N27/12GK1112239SQ94119889
公開日1995年11月22日 申請日期1994年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月4日
發(fā)明者尹童鉉, 李圭晶, 洪炯基, 樸炫洙, 權(quán)哲漢, 申鉉雨 申請人:株式會社金星社